Авиационные приборы измeрения / МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ АВИАЦИОНЫЙ УНЕВЕРСИТЕТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

с дисциплины «Технологические измерениям и приборам»

Тема: Датчик линейного перемещения

Виконав: студент 307 групи ФСУ Жук Елена Николаевна

(подпись) (Фамилия.И.О)

Руководитель: Иванов Игорь Алексеевич

(подпись) (Фамилия.И.О)

2006 год

Задание

Спроектировать датчик линейного перемещения стола координатно свердлильного станка, удовлетворяет условия:

1. Перемещение 0-25мм

2. Допустимая погрешность мм

3. Электрический преобразователь – индуктивный не дефференциальный

4. Выходной сигнал –Унифицированый (0-5)В

Требования к проекту

• В проекте нужно рассчитать электрический преобразователь, а также погрешность датчика в наихудших условиях применения .

• Разработать чертежи двух-четырех деталей.

• Рассчитать массу одной из плоских деталей.

• Представить функциональную схему датчика.

• Наличие пояснительной записки.

Внешние условия работы датчика

1.Давление воздуха от 730 до 770 мм рт.ст.

2.Температура воздуха от 5 до 40

3.Влажность воздуха 40......90%

4.Вибрация места установки датчика:

частота 20…….100Гц виброускорение не больше 0,5g

5.Напряжения питания (одна из приведенных ниже):

=(273)В

(36частота (400Гц

(220В, частота (50Гц

Содержание

1. Методы получения и преобразования измерительной информации. Общие сведения.

2. Индуктивный метод

3. Расчет индуктивности датчика

4. Расчет массы плоской детали

5. Конструкция датчика

6. Аналого-цифровые преобразователи

7. Чертежи

8. Литература

1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЙ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерительная информация, получаемая от контролируемого объекта, передается в измерительную систему в виде сигналов каго-либо вида энергий. Можно говорить первичных сигналах, непосредственно характеризующих контролируемый процесс, о сигналах, передаваемых в измерительную схему прибора, и т.д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора сигнала претерпевают ряд изменений по уровню и интенсивности и преобразования из одного вида энергий в другой. Не обходимо такого преобразования вызвана тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и произведения. Например ,при измерении температуры приборов, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимает поток тепла трудно передать , а тем более произвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают сигналы большинства видов неэлектрической энергий. Потому, при измерений неэлектрической величины воспринимаемые чувствительным элементом сигналы преобразуются в электрические сигналы, являющейся универсальными.

Та часть прибора, в которой неэлектрической измеряемый сигнал преобразуется в электрический, называется преобразователем.

Известно много электрических методов измерения неэлектрических величин. Для удобства изучения введет классификация этих методов по виду связи между электрических и неэлектрическими величинами:

1. Методы, при использовании которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в соответствующее изменение параметров электрических цепей, питаемых внешними источниками э.д.с. При этом сигналы, получаемые от измеряемого объекта, служат Толька для управления энергией постороннего источника, включенного в электрическую цепь. Так как в данном случае основным является изменения параметров электрической цепей под действием сигнала от измеряемого объекта, то эти методы называются параметрическими.

2. Методы, при использовании которых сигналы, получаемые от измеряемого объекта, непосредственно преобразуется в электрические сигналы. При этом желаемый эффект преобразования может быть получен без использования посторонних источников э.д.с. Здесь основным является непосредственное преобразование сигналов различных видов в электрические сигналы (генерирование электрической энергий),поэтому они называются генераторами. К параметрическим относятся методы, основанные на изменении сопротивления, емкости и индуктивности электрической цепи. К генераторными относятся электромагнитный, термоэлектрический пьезоэлектрический и другие методы.

2.ИНДУКТИВНЫЙ МЕТОД

В электрических методах измерения, основанных на измерении индуктивности L, используется свойства катушки изменить свое реактивное ( индуктивное) сопротивление при измени некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности. Для получения возможно большей индуктивности катушки малых габаритов, как правило, выполняется с сердечником из ферромагнитного материала. Выражение для определения индуктивности такой катушки имеет вид:

Где -число витков катушки;

-Величина и площадь воздушного зазора;

-длина средней линии и площадь сечения сердечника;

-соответственно магнитная проницаемость воздуха и материала сердечника.

Изменение индуктивности L согласно формуле (2.1) можно осуществлять путем изменения числа витков ,длина l0 или площадь S0 воздушного зазора и длина l1 площадь S1 или магнитной проницаемости сердечника. В применяемых в настоящее время индуктивных датчиках изменение индуктивности достигается чаще всего посредством изменения величины или площадь S0 воздушного зазора. Изменение индуктивности путем изменения магнитного проницаемости магнитопровода осуществляется с помощью магнитострикционного метода измерения, о котором будет сказана ниже.

Если катушка, индуктивности которой изменяется пропорционально измеряемой неэлектрической величине, включена в электрическую цепь, то по изменению силы тока в цепи или напряжения на клеммах прибора можно судить об этой величине.

Перейдем к изложению различных методов измерения медленно изменяющихся величин для их питания можно обойтись переменным током промышленной частоты. При измерений индуктивными преобразователями величин, изменяющихся с высокой частотой, необходимо выполнить два условия: во-первых, частота тока, питающего преобразователь, должна быть I несколько раз выше частоты изменения измеряемой величины, во-вторых, собственная частота элементов (обычно якорей или мембран), служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в изменение индуктивности, должны быть значительно выше наивысшей частоты измеряемой неэлектрической величины в изменение индуктивности, должны быть значительно выше наивысшей частоты измеряемой величины.

Принципиальная схема индуктивного преобразователя очень проста (рис.1).на железном сердечнике 1 намотана катушка 2. Если изменять воздушный зазор посредством перемещения якоря 3, например, под действием силы F, то коэффициент самоиндукции L катушки 2 будит изменятся, вследствие чего сила тока и, протекающего по катушке, также будет изменяться. Таким образом, каждому значению силы F и зазора будет соответствовать вполне определенное значение коэффициента самоиндукции L, а следовательно, и определенное значение силы тока.

Рис.1.Схема индуктивного датчика:

1-сердечника; 2-катушка;-воздушный зазор;

L-коэффициент самоиндукции; і-сила тока;F- сила

Для преобразования изменения индуктивности датчика в изменение силы тока, напряжения или частоты имеется ряд схем, которые можно разделить на резонансные, нерезонансные недифференциальные и дифференциальные.

Простейший пример резонансной схемы приведен на рис.2. В этой схеме емкость С постоянна, а индуктивность L катушки изменяется за счет изменения воздушного зазора .Если собственная частота контура LC близка к частоте питающего напряжение и, то амплитуда тока и при изменения зазора выбирается из расчета работы на линейной части резонансной кривой, при этом должно выполняется условие .Обычно величина полного воздушного зазора в 3-5 раз превышает величину перемещения якоря .

Рис. 2. Резонансное схема включения индуктивного датчика

Рис.3 Нерезонансная недифференциальная схема включения

индуктивного датчика с логометра

Если питающие напряжение и стабилизировано по амплитуде и частоте, то резонансные схемы, обладающие большой чувствительностью, обеспечивать также достаточность измерения.

Примеры нерезонансних недифференцированных схем приведены на рис .1;3 и 4. В схеме на рис..3 воздушный зазор катушки I,а следовательно, и сила тока в ней изменяются, а в катушке IIостаются неизменными. Логометр Л. Включенный в схему прибора в качестве указателя, будет измерять отношение токов в катушке I и II. Очевидно, показание логометра будет являться функцией величины зазора .

Рис. 4. Трансформаторная схема включения индуктивного датчика

В трансформаторной схеме(рис.4) изменение зазора преобразует в изменение коэффициента взаимной индукции первичной I и вторичной II обмотки трансформатора. Если напряжение питания и постоянно по амплитуде и частоте, то сила тока во вторичной обмотке II будет изменяться в соответствии с изменением зазора.

Рис.5. Дифференциальное схема включения индуктивного датчика с логометром

Рис.6. Дифференциальное мостовая схема включения индуктивного датчика

На рис.6. приведена схема моста с двумя взаимно изменяющимися плечами L1 и L2.Изминения индуктивностей осуществляется посредством перемещения общего сердечника из среднего положения под действием механических сил. Подобное схемы часто применяется в приборах для измерения переменных давлений, ускорения и деформаций.

Рассмотрим основные элементы расчета индуктивных датчиков. Исходными данными для расчета является тим датчика, вид и размера магнитной системы и ход якоря. Определяют подлежат электрические параметры катушки ( полное и омическое сопротивления, число витков, сила тока), мощность, потребляемая датчиком, частота питающего напряжения.

В качестве примера рассмотрим магнитную систему датчика, представляемого на рис. 1.

Если будет известна зависимость приращения сопротивления следует воспользоваться выражением, устанавливающим связь между комплексным сопротивлением катушки и комплексным магнитным сопротивлением магнито-привода:

где R- сопротивления катушки постоянному току;

w-круговая частота;

число витков катушки;

Комплексное магнитное сопротивление имеет вещественную часть, характеризующую реактивное сопротивление катушки, и мнимую часть, характерезующую активное сопротивление катушки, обусловленное потерями на гистерезис и вихревые токи.

При расчетах комплексного магнитного сопротивления встречается рад затруднений. Прежде всего эффективная площадь воздушного зазора не всегда равна площади сердечника вследствие растирания магнитных силовых линий (рис.7.). однако если длина зазора мала по сравнению с поперечными размерами сердечника, то эффективная площадь зазора может быть принята равной площади сердечника.

4.Расчет массы плоской детали

Рассчитать площадь данной детали посредством расчета суммы площадей прямоугольников:

Рис.6. Дифференциальное мостовая схема включения индуктивного датчика

На рис.6. приведена схема моста с двумя взаимно изменяющимися плечами L1 и L2.Изминения индуктивностей осуществляется посредством перемещения общего сердечника из среднего положения под действием механических сил. Подобное схемы часто применяется в приборах для измерения переменных давлений, ускорения и деформаций.

Рассмотрим основные элементы расчета индуктивных датчиков. Исходными данными для расчета является тим датчика, вид и размера магнитной системы и ход якоря. Определяют подлежат электрические параметры катушки ( полное и омическое сопротивления, число витков, сила тока), мощность, потребляемая датчиком, частота питающего напряжения.

В качестве примера рассмотрим магнитную систему датчика, представляемого на рис. 1.

Если будет известна зависимость приращения сопротивления следует воспользоваться выражением, устанавливающим связь между комплексным сопротивлением катушки и комплексным магнитным сопротивлением магнито-привода:

где R- сопротивления катушки постоянному току;

w-круговая частота;

число витков катушки;

Комплексное магнитное сопротивление имеет вещественную часть, характеризующую реактивное сопротивление катушки, и мнимую часть, характерезующую активное сопротивление катушки, обусловленное потерями на гистерезис и вихревые токи.

При расчетах комплексного магнитного сопротивления встречается рад затруднений. Прежде всего эффективная площадь воздушного зазора не всегда равна площади сердечника вследствие растирания магнитных силовых линий (рис.7.). однако если длина зазора мала по сравнению с поперечными размерами сердечника, то эффективная площадь зазора может быть принята равной площади сердечника.

Рис. 7. Расчетная схема магнитопровода

Кроме того, при применении магнитопровода из сплошного куска ( а не листового) стали начинает сказывается поверхностный эффект. Неравномерное распределение магнитного потока по сечению магнитопровода, свойственное переменным магнитным полям, крайне затрудняет определение магнитного сопротивления . При этом, чем выше частота питающего напряжения, тем более выражен поверхностный эффект. Следствием поверхностного эффекта является увеличение комплектного магнитного сопротивления магнитопровода. На основе теоретических исследовании Л.Р Нейман вывел формулу для расчета комплексного магнитного сопротивления при наличии поверхностного эффекта:

Где

1и p ­­­­– длина и периметр магнитопровода

w- круговая частота

y- удаленная проводимость материала магнитопровода;

Rm –активное составляющие магнитного сопротивления;

- магнитное проницаемость, определяемая из основной кривой намагничивания при напряжение поля, равной напряженности поля, равной напряженности на поверхности магнитопровода.

В том случае, когда магнитный поток в магнитопровода близок к равномерному, определение комплексного магнитного сопротивления производится по формуле:

Где

P- мощность потери на гистерезисе и вихревые точки;

Ф- магнитный поток

S- площадь поперечного сечения магнитопровода.

При выборе частоты питающего напряжения исходят из следующего соображений. Для уменьшения динамических погрешностей это частота должна быть в 8-10 раз больше частоты измеряемой величины. Поскольку реактивное сопротивления датчика пропорционально частоте, то с повышением частоты увеличивается чувствительности датчика, но одновременно возрастают потери на гистерезисе и вихревые точки и усиливается поверхностный эффект. Исходя из этих соображений, можно сказать, что имеется некоторое оптимальное значение частота питающего заряжения, лежащие в пределах 600-800 Гц

При определении магнитодвижущих силы (м.д.с) катушки следует исходить из требование малой реакций электрической части датчика на его механическую часть и из малой реакций указателя на датчике( при заданной мощности указателя).

Реакции электрической части датчика на его механическую часть определяется электромеханической силой притяжения якоря

или, так проводимость воздушного промежутка то

Эта сила должна быть во много раз меньше измеряемого усилия, действующего на якоре, так как в противном случае появятся большие погрешности. Из формулы следует, что при заданном значении Fэ можно определить м.д.с. Для устранения реакций указателя на датчик мощности датчика должна быть в 10-15 раз больше мощности указателя. Из этих соображений при заданной мощности указателя мощности указателя определяется мощность датчика, являющаяся в основным реактивной. Эту мощность можно определить по формуле:

Где Е-напряжение;

к- коэффициент формы;

f-частота

ir-сила тока

Из формулы при заданной мощности можно найти м.д.с.(ампер- витки) преобразователя.

3.РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОСТИ ДАТЧИКА

Для расчета электрических параметров датчиков необходимо найти индуктивности его катушек, которые определяют через проводимости воздушных зазоров. Точное определение последних представляет большие трудности ввиду трехмерности электромагнитного поля. Для этого нужно рассчитать проводимость воздушных зазоров между якорей и краями сердечников, на которые намотаны эти катушки.

Расчет произведен аналитическим методом, как наиболее подходящим в данном случае.

Для этого магнитное поле в воздушном зазоре и краевое поле выпуклости разобьем на простые фигуры. Таким образом это поле состоит из:

1. прямоугольник - воздушного потока, не учитывая потока выпуклости;

2. трех половин цилиндра – потоков выпуклости (между якорем и крайним стержнем сердечника);

3. двух половин цилиндры (между якорем и средним стержнем сердечка).

Для расчета датчика необходимо:

• определить величины зазоров между якорем и сторонами сердечника;

• определить проводимость воздушного зазоров ,не учитывается потока выпуклость;

• определить проводимости потоков выпуклости;

• определить суммарную всего магнитного поля вокруг катушек;

• определить индуктивность катушек;

• определить реактивные сопротивления катушек;

• определить активное сопротивление катушек.

Проводимости рассчитаны в семи случаях, которые соответствует пяти положениям якоря:X=0;5;10;15;20;25;мм

При X=0 воздушный зазора между якорем и краем сердечника 1 равный

мм.

Находим значением зазора каждом из шести положении якоря.

Связь между этими значениями и величиной перемещения якоря Х определяется по формуле:

Таким образом, значением зазора между стержнем сердечника и якорем равны:

1. при Х=0мм:

2. при Х=5мм:

3. при Х=10мм:

4. при Х=15мм:

5. при Х=20мм:

6. при Х=25мм:

Значения зазора между якорем и средним стержнем сердечника при Х=0;5;10;15;20;25; не будет меняться, то есть будет:

Проводимость воздушных зазоров, не учитывая потоки выпуклости, находим по формуле:

Где l= 8мм – длина зазора;

b= 8мм – ширина сечения края сердечника;

- магнитная проницаемость

- величина зазора между якоре и стержнем сердечника.

Таким образом, проводимости равны:

1. при Х=0мм:

См

2. при Х=5мм

См

3. при Х=10мм

См

4. при Х=15мм

См

5. при Х=20мм

См

6. при Х=25мм

См

Значение проводимости для зазора между якорем и средним стержнем сердечника будет:

См

Проводимость потоков выпуклости рассчитаем по формуле:

Таким образом, проводимости потоков выпуклости в семи положениях якоря равны:

1. при Х=0мм

См

2. при Х=5мм

См

3. при Х=10мм

См

4. при Х=15мм

См

5. при Х =20мм

См

6. при Х=25мм

См

Проводимость потока выпуклости для среднего стержня сердечника:

Проводимость Gb и G3 преобразуем в проводимости Gb3 по правилам преобразователь при последовательном соединении, при этом:

Проводимость Gb3 при разных положениях якоря относительно края сердечника равна:

1. При Х=0мм:

См

2. При Х=5мм

См

3. При Х=10мм

См

4. При Х=15мм

См

5. При Х=20мм

См

6. При Х=25мм

См

Индуктивность катушек находят по формуле:

Где - - циклическая частота;

f = 50Гц –частота;

Индуктивность катушки для разных положений якоря равны:

1. При Х=0мм

Гн

2. При Х=5мм

Гн

3. При Х=10мм

Гн

4. При Х=15мм

Гн

5. При Х=20мм

Гн

6. При Х=25мм

Гн

По получение значениями индуктивности находим реактивные сопротивления катушек:

jX=jwL

Катушка сердечника при разных положениях якоря имеет такие значения реактивных сопротивления:

1. При Х=0мм

Ом

2. При Х=5мм

Ом

3. При Х =10мм

Ом

4. При Х=15мм

Ом

5. При Х=20мм

Ом

6. При Х=25мм

Ом

Активное сопротивление обмотки датчика находят по формуле:

Где - удельное сопротивление меди;

=0,0320 – средняя длина витка обмотки;

- диаметр проводника обмотки.

Таким образом, активное сопротивление обмотки будет равна:

Ом м

Полное сопротивление обмотки датчика в разных положениях якоря:

При Х=0мм

При Х=5мм

При Х=10мм

При Х=15мм

При Х=20мм

При Х=25мм

Мостовая схема

Расчет допустимой погрешности имеем структурную схему датчика

Будим считать, что погрешность каждой состовляющией+

Датчика будет одинаковое, а допустимая погрешность датчика за условием задание равняется 0,01. Отсюда получаем.

=0,01мм

Где - допустимая погрешность і- го измерительного преобразователя;

Где - чувствительность данного измерительного преобразователя;

Или считая, что

Поскольку спроектированный датчик имеет только один преобразователь, то его допустимая погрешность равна:

мм

Таблица